微生物矿化池
A. 微生物与矿物之间的胞外电子转移后矿物会怎么样
微生物与矿物之间的胞外电子转移后矿物会怎么样
生物冶金是指在相关微生物存在时,由于微生物的催化氧化作用,将矿物中有价金属以离子形式溶解到浸出液中加以回收,或将矿物中有害元素溶解并除去的方法.许多微生物可以通过多种途径对矿物作用,将矿物中的有价元素转化为溶液中的离子.利用微生物的这种性质,结合湿法冶金等相关工艺,形成了生物冶金技术.浸矿微生物主要有氧化铁硫杆菌(thiobacillusferrooxidans)、氧化硫硫杆菌(thiobacillusthiooxidant)、硫化芽孢杆菌(sulfobacillus)、氧化铁杆菌(ferrobacillusferrooxi dant)、高温嗜酸古细菌(thermoacidophilicarchae bacteri a)、微螺球菌属(1eptospirillum)等.在有关生物冶金的报道Thiobacillusferrooxidans(氧化亚铁硫杆菌)为浸矿菌种的论文占绝大多数,但从研究者对浸矿细菌的分离及培养方法来看,应该是多个菌种的富集混合菌.它们有些生长在常温环境,有些则能在50～70℃或更高温度下生长.硫化矿氧化过程中会产生亚铁离子和元素硫及其相关化合物,浸矿微生物一般为化能自氧菌,它们以氧化亚铁或元素硫及其相关化合物获得能量,吸收空气中的氧及二氧化碳,并吸收溶液中的金属离子及其它所需物质,完成开尔文循环生长.
用于浸矿的几十种细菌,按其生长的最佳温度可以分为三类,即中温菌、中等嗜热菌与高温菌.
硫化矿生物浸出过程包括微生物的直接作用和间接作用,同时还具有原电池效应及其它化学作用.直接作用是指浸出过程中,微生物吸附于矿物表面通过蛋白分泌物或其他代谢产物直接将硫化矿氧化分解.间接作用则指微生物将硫化矿物氧化过程产生的及其它存在于浸出体系的亚铁离子,氧化成三价铁离子,产生的高铁离子具有强氧化作用,其对硫化矿进一步氧化,硫化矿物氧化析出有价金属及铁离子,铁离子被催化氧化,如此反复.根据矿石的配置状态,生物冶金工业化生产主要有3种.
(1)堆浸法.这种方法常占用大面积地面,所需劳动力较多,但可处理较大数量的矿石,一次可处理几千至几十万吨.
(2)池浸法.在耐酸池中,堆集几十至几百吨矿石粉,池中充满含菌浸提液,再加以机械搅拌以加快冶炼速度.这种方法虽然只能处理少量的矿石,但却易于控制.
(3)地下浸提法.这是一种直接在矿床内浸提金属的方法.其方法是在开采完毕的场所和部分露出的矿体上浇淋细菌溶浸液,或者在矿区钻孔至矿层,将细菌溶浸液由钻孔注入,通气,待溶浸一段时间后,抽出溶浸液进行回收金属处理.这种方法的优点是,矿石不需要开采选矿,可节约大量人力和物力,减轻环境污染.
B. 什么是矿化
矿化作用矿化作用是在土壤微生物作用下
，土壤中有机态化合物转化为无机态化合物过程的总称。
矿化作用在自然界的碳
、氮、磷和硫等元素的生物循环中十分重要。矿化作用的强度与土壤理化性质有关，还受被矿化的有机化合物中有关元素含量比例的影响。土壤中复杂含氮有机物质在土壤微生物的作用下，经氨基化作用逐步分解为简单有机态氨基化合物，再经氨化作用转化成氨和其他较简单的中间产物。氨化作用释出的氨大部分与有机或无机酸结合成铵盐，或被植物吸收，或在微生物作用下氧化成硝酸盐。土壤中部分有机态磷以核酸、植素和磷脂形式存在，在微生物的作用下分解为能被植物吸收的无机态磷化合物
C. 微生物在自然矿物中起到了什么样的作用
微生物在地球的矿物形成与分解的过程中可以说无处不在。微生物不仅可以在体外诱导矿物形成，还可以在体内生成矿物；它们不仅可以提供矿物形成所需的原料，还可以控制矿物的形态。咱们一点儿一点儿的来认识一下这些厉害的小家伙们在成矿上的能耐！
一、微生物成矿
1、生物矿物（biogenic minerals）
生物矿物就是由生物细胞（多为细菌）及其外部结构形成的矿物。最为有名的生物矿物是我们耳熟能详的碳酸盐岩岩中的方解石、文石、球霰石。最具有代表性的就是下图的这个小东西，学名叫做Coccolithi 颗石藻，它是大洋深海钙质软泥的主要成分，也是地球碳循环的重要组成部分，它们在死亡后的尸体沉积构成了海洋碳酸盐岩的主体。
除此之外，还有很多种微生物形成的矿物如磷酸盐矿物、硫化物矿物、硫酸盐矿物、磁铁矿、针铁矿等。
铝土矿：
铝土矿中的针铁矿小球：
生物成因的矿物大多在纳米到微米尺度，并具有特定的形态、成分，与成岩矿物可以明显区分。
2、微生物矿化作用
（1）微生物诱导的矿化作用(BIM, bacteria-inced mineralization)
特点是矿物的形成取决于微生物营造的环境，是微生物活动或新陈代谢的副产品。微生物的生理活动诱导矿化，包括高价硫、氮和金属作为电子受体的异化呼吸作用。
其中最为有名的发现就是下面这份发表在science上的文章，其作者Labrenz et al. (2000)在硫酸盐还原菌表面实际获得了纳米级闪锌矿微球粒集合体。当然下图这个是假染色的结果。。里面蓝色的是硫酸盐还原细菌膜、绿色的是闪锌矿微粒、黄色的是纳米级微球粒。
在SEM下原图其实是这个样子的：
其实我们所熟知的钟乳石、钙华等也是由生物诱导的矿化作用形成的。下图是惠东热泉微生物席矿化层上部TEM图。颗粒状硅胶体（m）吸附在蓝细菌鞘外（s）或细胞壁外的EPS（p）层中，形成密集的硅质壳层（t），活蓝细菌细胞内（b）没有矿化作用的发生。在一些已死亡的蓝细菌个体中，硅胶体已进入细胞内部。
（2） 微生物控制的矿化作用 (BCM, bacteria-controlled mineralization)
微生物细胞决定了矿物形成的形态。微生物控制下形成的矿物具有特别的晶体结构、低可溶性、稳定同位素分馏的特点和痕量元素的不均衡。
细胞内影响矿物形态：
（细胞内形成的磁铁矿控制，Bazilinsky et al., 2000）
细胞表面结构影响矿物结晶形态：
（微生物细胞表面结构影响矿物结晶的形态，Sleytr et al., 2001）
这些微生物表面结构会使得矿物也按照一定的微结构来结晶，比如下图这种铀矿的析出形态。
二、微生物分解矿物
提到形成就得再聊聊分解，其实现在微生物在矿物的处理和尾矿堆的处理上有着很大的前景，这一点 @Haizhen Zhu同学已经解释的很清楚了，无非就是微生物加速矿物的分解和沉淀过程。
以铁硫化物矿物为例：
从图中我们可以看出，二价铁经由微生物氧化作用被氧化为三价铁，并由三价铁继续加快矿物溶解并氧化硫元素，进而形成高价铁氧化物、硫酸盐，最终目的就是将重金属固定并达到再次富集提高产量、环保排放的目的。而尾矿区内的微生物反应大概模式如下：
Chinese Sci Bull.(2009);PCCP(2011);GCA(2011); J Phys. Chem. A (2010);
下图就是SRB细菌作用下形成的硫化物沉淀复合体。
至于其地球化学意义，我们用下面这一张图就可以讲清楚，矿物的微生物分解伴随着微生物诱导矿化，维系着地表体系的生命。
不仅仅如此，微生物作用并不仅限于矿坑的AMD中，还会体现在地球表层的ACD（acid rock drainage）中。首先，地壳抬升促进大陆风化作用，微生物的存在会加速Fe、S、C、N等的循环；其次，微生物也是寻找生物起源和大氧化事件的地质记录（3.4Ga)；还是重金属进入生态系统的重要途径。
其中DIRB细菌还对BIF的形成、Fe同位素分馏、重金属地球化学行为等有着重要的研究价值，而SRB细菌则对于碳酸盐形成、成矿作用、油气生成、生物灭绝等有着重要价值。
D. 污水处理厂的生物池有什么作用
利用微生物新陈代谢功能，使污水中呈溶解和胶体状态的有机污染物被降解并转化为无害的物质，使污水得以净化。在城镇污水二级处理工艺中，一般以活性污泥法为主，尤其是日处理能力在20万m³以上的情况下。
生物法处理污水则花费低，耗能低，同时处理效率高，出水质好，管理简单，不会对环境产生二次污染。生物法通常利用各种微生物的新陈代谢及种群间的相互作用而使污水得到净化的过程。农村生活污水富含有机物，化学污染物相对较低，特别适合于微生物的生长和作用。
(4)微生物矿化池扩展阅读
生物污水处理基本原理用从电镀污泥中获得的SR系列复合功能菌，高效还原六价铬为三价铬，三价铬、锌、铜、镍和镉等二价金属离子被菌体富集，再经固液分离，废水被净化，污泥中金属再用生物或化学法回收，固液分离的上清液可以回用。
技术关键为菌体的培养和“菌废比”的合理调控，这是保证处理水质达到排放标准或回用的重要条件。一般采用厌氧技术培养菌体，培养液可以是生活污水，粪便，高浓度有机废水，也可以人工配制。采用中温发酵技术。根据废水中的金属离子的浓度和培养的菌体的浓度决定“菌废比”，具体情况具体决定。
E. 哪些数据说明此黄铁矿很可能是微生物的作用形成的
一些微生物能够以矿物为营养基质，将矿物氧化分解，从而使金属进入溶液，通过进一步的富集、纯化来获得纯度较高的金属。目前已经得到了一定程度的工业应用，并且有一个颇为高大上的名字——生物冶金。在先期工业化的国家以全球的富矿资源完成发展以后，人类面临的是越来越贫、细、杂，难处理的矿石资源，而微生物就是处理这类资源的小能手。研究较多的主要是对硫化矿的处理，根据最终的目的和过程中金属的流向，可大致分为两种作用：微生物浸出和微生物氧化。二者的原理是一样的，区别在于前者是指使矿物中的金属如铁、铜等变成离子进入溶液，经过后续的提取，获得较纯的金属；后者是指通过微生物的氧化作用，使矿物中的某些贵金属如金、银、铂等暴露出来，便于下一步处理。另外，微生物也能将水溶液中的金属吸附于细胞表面或者通过代谢作用积累在体内，分别叫做微生物吸附和微生物积累。
由于矿石含硫或者硫化物，在开采过程中被暴露出来并氧化，产生酸性的富含金属的积水，即酸性矿坑水（AMD）。能够对矿石起作用的微生物一般来自酸性矿坑水。这些微生物中有的可以氧化硫，如氧化硫硫杆菌、布赖尔利叶琉球菌；有的可以氧化亚铁，如氧化亚铁钩端螺杆菌；有的既能氧化亚铁也能氧化硫，如氧化亚铁硫杆菌。所以这些微生物在对矿物的氧化过程中通常是协同作用的。
对于微生物作用于硫化矿的机制有两种主流的说法：直接作用和间接作用。直接作用是指微生物吸附于矿物表面，通过自身的代谢活动直接将矿物分解为金属离子和元素硫，并进一步将硫氧化为硫酸。在这一过程中，细菌接受矿物氧化释放的电子，通过自身代谢最终传递给氧。反应式为：
间接作用是指微生物将浸出体系中的亚铁氧化成三价铁，三价铁以其强氧化性对矿物进行化学氧化，产生金属离子和亚铁，亚铁再次被微生物氧化，如此循环。在这一过程中，硫被微生物氧化成硫酸。反应式为：
在大多数情况下，直接作用和间接作用是同时存在的，但所占主次不同。以黄铜矿为代表的如磁黄铁矿、铁闪锌矿等的微生物氧化以直接作用为主，以黄铁矿为代表的如砷黄铁矿等以间接作用为主。
F. 微生物成矿作用
近年来微生物成矿作用越来越受到重视，它是现代成矿作用的一种重要类型。世界各国一些矿床，如中国的东川铜矿和滇黔桂微细浸染金矿的形成与微生物活动关系十分密切。80年代以来，随着生物学、环境科学、古生物学和一些矿床的深入研究，愈来愈多的新资料表明，尽管沉积矿床的最终形成是多因素、多阶段作用的结果，但早期的生物作用却是最重要的因素和作用阶段。生物成矿作用的研究现已开始受到广泛重视，正在成为当前地质科学研究的一个新的前沿和生长点。
1）微生物成矿作用研究的背景和意义
作为地球表层最活跃的地质营力之一，生物作用可以直接形成可燃有机矿产。一些非金属矿产如硫、磷的生物成矿作用研究也相继取得了一系列成果，对金属矿床的生物成矿作用研究也正深入开展。微生物可以在许多阶段（如沉积、成岩、构造和变质作用、成矿和风化等）参与作用。但在不同的成矿阶段微生物成矿作用的重要性和表现形式则完全不同。具体到某个特定的矿床的某个成矿阶段，可能是某种生物作用占主导。现代生物学研究和各种实验结果（如生物成矿试验和工业废水微生物处理试验），都说明微生物及其有机质对P、Fe、Mn、Mg、Cu、Pb、Zn、V、U、Cr、Ni、Mo、Co、Au、Ag、Pt、Hg、S、As、Se、Sb、I及许多稀有分散元素的析离、运移和沉淀都有很强的能力和显著作用。概括起来，微生物参与形成矿床的方式主要有以下几种（朱士兴，1993）：
（1）微生物直接聚集成矿元素的作用：微生物因生理的需要对许多元素或矿物质具有直接吸收和吸附的功能。微生物对许多金属元素都具有惊人的富集能力。在不同的环境条件下，它们的富集系数有较大的变化，并存在选择富集作用。例如，在主要由藻类和细菌组成的海洋生物群中，许多元素的富集浓度可以比海水中的浓度高几百倍到几十万倍。美国和加拿大的一些实验研究证明，海藻特别是小球藻对金具有很强的吸附能力，许多微生物聚金能力惊人，如加利福尼亚州菲格罗阿湖的藻席含金达18kg/t。目前对微生物聚集金属元素研究较多的除了Fe、Mn外则是Au、Ag、Cu和Pb等。微生物成矿作用中微生物固定金属的机制不外是两种：一种是通过介质起作用；另一种是细胞直接与金属作用。许多金属元素对生物都有很大的毒性，但生物在某些环境下有很大的抗毒性。生物学家们研究发现，生物可以通过许多途径来消除这些不利因素而对某些毒性很大的金属有很强的吸收能力。微生物这些抗毒性机制为生物参与成矿提供了可能，因为在一些不利的环境中（如金属浓度很高），生物的抗毒性功能会打破金属在固液相之间的平衡，从而导致金属在固相中富集起来。
（2）微生物的生物化学沉淀作用：微生物在改变环境的物化参数上对成矿具有普遍意义。它的新陈代谢作用不仅能引起有关元素组合关系的转变和生成新矿物，还能改变周围溶液的酸碱度和氧化-还原电位，从而造成一个有利于某些新矿物沉淀的微环境，如硫化细菌可使硫氧化形成硫酸根，并由此形成硫酸盐矿物；而厌氧呼吸型的反硫化细菌则能使硫酸盐还原而生成硫化氢，后者与金属作用会生成各种金属硫化物，形成还原型金属矿物。微生物在氧化条件下不仅形成局部的还原环境，并有一个使化学条件起变化的界面。
（3）微生物的生物物理沉淀作用：现代叠层石的研究表明，具粘液鞘的丝状构造叠层石微生物，由于它们的能动作用（颤动和趋光滑动），对海水中的矿物颗粒或含矿岩屑有很强的粘结和捕获作用。微生物形成的叠层石柱体和由它们组成的礁体由于使水动力状况发生突然变化（变小），从而使被搬运的矿物质或含矿碎屑在叠层石柱体之间或其礁体前后因受阻而发生物理沉积和富集作用。
（4）微生物产生有机质参与成矿作用：微生物的代谢作用或死亡后被分解能生成各种有机质，如有机酸、有机碱、有机质胶体和含碳物质。这些有机质热稳定性低，在成矿元素的活化、迁移、沉淀和富集过程中起着重要作用。这些有机质，有的与金属形成络合物-螯合物进入沉积物中，在成岩作用时释放出金属或被置换形成更稳定的络合物；有的（有机胶体和微粒）可通过物理吸附作用而富集大量金属离子。有的（如有机碳）是还原剂，使易溶的高价离子还原成难溶的低价离子，从而使它们沉淀和富集。例如：日本用含腐植酸的泥浆处理重金属废水，对Hg、Cd、Cu、Ni、Zn等离子的去除率达98%以上，中国有人用腐植酸煤和腐植酸树脂处理含Hg、Pb、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni和Co等离子的工业废水试验也获得理想的结果。近年来，对矿床中流体包裹体中有机质的研究，更进一步说明了有机质是微生物参与成矿的证据之一。
2）微生物成矿作用研究内容
（1）生物成矿作用的证据和标志。为了开展本项工作首先必须要有生物成矿作用的充分证据和标志。为此，需进行3个方面的研究：①对矿床全面开展古生物学及其生物沉积构造（如叠层石、核形石、珠粒、凝块石等）的研究，提出生物成矿作用的直接证据；②对含矿岩系、含矿层和夹层分别开展生物矿物晶体学、微量元素、稳定同位素和有机地球化学的研究，确定生物成矿作用的间接标志及其标志物的类型和特征；③通过对含矿岩系与非含矿岩系以及与其他矿种含矿岩系的比较，确定与该矿床有关的古生物、生物沉积构造以及生物地球化学标志物的特点和专属关系。
（2）生物成矿作用的方式和机理。①将上述古生物和生物地球化学资料与矿床形成的地质背景、岩相古地理和矿石结构、构造资料相结合，对生物成矿作用方式和机理问题提出推理性的意见；②进行模拟实验，结合其他实验结果（如大量的处理工业废水的试验资料）丰富和完善上述推理性的认识，并最终提出科学的关于生物成矿作用方式和机理的意见。
（3）矿物分带与生物相分带关系。为了探讨新的找矿标志，还要进行以下的工作：①研究矿床中的矿物分带，了解其具体的时空分布规律；②研究矿床中古生物相与沉积相的分带，阐明其与矿物相分带的关系；③研究并确定不同矿物带生物地球化学和生物标志的特点（朱士兴，1993）。
通过上述研究，最终以新的资料和观点总结出不同矿床的分布规律和找矿方向。既有科学的成矿理论又可指出实用的找矿标志。在以上各项研究中，应以生物成矿作用的证据和标志的研究为主，因为它们是形成结论的出发点和最基本的立足点。
3）微生物成矿作用研究新进展
微生物成矿作用研究得较多的矿种主要有Fe、Mn、Au、Cu、S、P等（殷鸿福等，1994）。
对铁矿来说，微生物成矿作用是肯定的，沼铁矿、湖铁矿和海相铁矿都曾被看作是细菌成因的。在前寒武纪条带状含铁建造中已发现了越来越多的微化石，如中国、澳大利亚和加拿大均有这类与微生物作用有关的铁矿床。但构成生物成矿的直接证据不多，尚有赖于沉积环境中存在的“生物成因构造”。近年来发现一类能在其细胞内合成磁铁矿的趋磁细菌（magnetotactic bacteria），为细菌参与成矿作用提供了直接证据，这是铁的生物成矿研究中进展较大的一点。日本和中国学者分别报道了现代生物成因的条带状铁矿和古代微生物成因的铁矿（宣龙式）二者的结构有不少相似之处。
对锰矿的生物成矿作用研究也较多，如乌克兰Nikopol，奥地利Tannengebirge地区的矿床，格鲁吉亚的Chiatura，澳大利亚的Groote Eylandt矿床以及中国的湘潭式锰矿，但多数是根据生物成因构造推断其为生物成矿的。中国南方震旦纪碳酸锰矿床中已经发现了比较明确的沉积和同位素地球化学证据，表明有机质积极参与成矿过程。近年来，从大洋底锰结核中分离出了一系列氧化锰细菌，并进一步发现了许多锰结核是锰质超微叠层石，这一发现开辟了锰的生物成矿作用研究的新方向-超微叠层石与锰矿的关系。近年在太平洋东部克拉利昂-克里帕顿盆地发现多金属结核中的锰矿物是生物成因的，结核的壳层是生物叠层石，并首次鉴定出太平洋螺球孢菌和中华微放线菌仅存在于叠层石的柱状体和文层等生物结构范围内，说明其为生物成因结核，并认为结核中的Fe、Mn等成矿元素是洋底纳米级微生物从海水溶液中吸取到体内，并在死亡后继续保留下来的产物。中国学者还提出了Fe和Mn分异的微生物学证据。
金通常是不活泼元素，但它在生物学上是非常活跃的。金具有显著的亲生物性，能够聚金的生物很多，金的生物成矿作用研究得较多的有南非的Witwatersrand砂砾岩型金铀矿床，该矿床中的许多纤维状晶粒显示出生物的结构。砂金的生物化学成因研究也较多，如阿拉斯加和中国一些地区的砂金矿被认为是与细菌作用有关的。在阿拉斯加砂金矿中发现了金矿化的微生物结构，金被彻底溶解后可以见到类似土微菌（Pedomicrobium）的一种芽孢菌存在，这是金的微生物成矿作用研究中最重大的进展。在30届国际地质大会上有多篇论文涉及微生物与金矿的成因联系。近年来，国内、外不断取得重要进展，如在块金中发现了细菌微生物的结构，还报道了某些种属的藻类明显具有富集金的能力。中国四川白孔隆沟金矿中分离出来的细菌和霉菌均有很强的聚金能力，它们具双重作用，在其生长的初期和中期吸附和聚积金，而在生长后期，则对金进行还原。
对铜、铅、锌等硫化物矿床来说，首先，生物及其有机质能够还原
对硫、磷等矿种的微生物成矿作用研究也较多。另外，对一些铀矿、钨矿、银矿、铝土矿等的微生物成矿作用的研究也取得了一些成果。
4）微生物成矿作用的重点研究方向
微生物成矿理论研究开展较晚，需要研究的领域较多，以下几个方面可进行重点研究（殷鸿福，1994）：
（1）“生物-有机质-流体”成矿系统的研究。目前生物成矿作用研究虽已获得了许多微生物参与成矿的证据，但尚缺少生物成矿作用的系统研究，孤立的生物成矿作用研究很难有大的突破，必须从发展的角度来研究生物成矿作用的演化，因此，“生物-有机质-流体”成矿系统的研究显得尤为重要。这是从成矿系统发展和联系的观点来研究生物成矿作用的演化，即系统地研究从活生物体的成矿作用（如预富集作用）到生物体演化为各种有机质的成矿作用（如溶解、富集作用），再到演变成有机流体时有机流体的成矿作用。
“生物-有机质-流体”成矿系统常见于盆地-造山带中。早在70年代初人们就已注意到了油气矿床和某些金属矿床可能的成因和空间联系问题。例如，加拿大西北部的阿尔伯特油田附近发现了派恩帕特大型铅锌矿，在索马里含油气区发现了科罗拉多高原型钾钒铀矿床等。近年来，不仅在油气区找到了一些金属矿床，并进一步发现了油气田可能与某些活泼金属矿床存在成因联系。目前，该项研究已发展到探讨含油气盆地中有关金属矿床产出的相对位置及普查标志阶段，涉及到Hg、Sb、U、Mo、Au、Cu、Pb、Zn等许多矿床。与油气矿床相伴的金属矿床中包裹体的研究表明，金属矿床的成矿流体类似于油田卤水，成矿流体中的有机质亦具有相似的性质。“生物-有机质-流体”成矿系统的研究揭示了这两类矿床的本质联系：在原始盆地接受沉积时，大量生物体为油气的形成奠定了物质基础，同时对金属成矿物质进行预富集作用，又为金属矿床的形成提供物质基础；在成岩过程中，生物体转化为有机质及有机热流体，对金属成矿物质具溶解、萃取和富集作用；在原始盆地-造山活动中，有机热流体向造山带运移，流体携带大量成矿物质，使金属成矿物质发生迁移；各种不同流体（如油气盆地的有机流体、造山带富含金属的流体等）的循环、汇合，最终会导致金属矿床的形成。这种成矿系统的研究不仅能完善和深化生物成矿以及前述的流体成矿的理论，而且还能指导找矿。
（2）综合对比研究现代的与古代的生物成矿作用的机制和条件。将今论古是地学研究领域的一项重要原则，许多生物成矿作用的认识也都是来自对现代生物成矿作用直接观察和研究，如洋中脊海底热泉喷口区的生物成矿现象，大洋锰结核的细菌成因说，砂金矿的细菌或生物-化学成因说，合成磁铁矿的趋磁细菌的发现等。对现代生物成矿现象的研究可以了解到生物成矿的机制，如生物富集、沉淀金属的方式以及参与成矿作用的生物生理学、形态学特征。只有在解决了这些问题的基础上，才可能对古代典型矿床进行令人信服的生物成矿作用的研究，了解古代生物在岩石沉积、成岩、变质等不同阶段所发生的变化及所起的作用，了解古代生物成矿作用的过程，从而避免只从形态学特征来讨论生物成矿作用。因此，现代和古代地质历史上的生物成矿作用，即与生物作用形成的矿床联系起来研究，是生物成矿理论一个很重要的研究方向。
（3）从生物地质学的其它相关分支学科角度综合研究微生物成矿作用：生物成矿学是一门生物学与矿床学之间的边缘学科。其研究必须与生物地质学中相关学科如生物矿物学、生物地球化学等结合起来。例如，某些细菌在吸附金离子以后会把它还原并长成晶体，金晶体长大以后就会从细菌上脱落下来，因此，必须从生物矿物学角度详细研究这些细菌成因的金晶体，才能区别这些矿物的有机和无机成因，为生物成矿作用提供证据，使生物成矿理论得以发展。
总之，必须从两方面研究发展生物成矿理论，一是研究生物成矿作用的机制、过程等生物本身的内部因素，二是研究生物成矿作用发生的外部条件如沉积环境等。一句话，系统地、综合地、对比地研究生物成矿作用的演化是发展生物成矿理论的关键所在。
G. 微生物浸矿有哪些方法
浸矿时，先将矿石收集起来堆成几十万吨的大堆，可高达100多米，用泵把细菌浸出剂、硫酸铁和硫酸喷淋到矿石表面。随着浸出剂的逐步渗透，矿石堆就发生了化学反应，生成蓝色的硫酸铜溶液流到较低的池中。然后再投人铁屑把铜从溶液里置换出来。这种方法叫做堆积浸出法。还有一种池浸法，它是把矿石放在池子中部的筛板上，浸出剂从上部喷淋流入下部池中，反复循环。这种方法可以提高浸出速度，提取率较高。也可以把浸出剂直接由矿床的上部注入进行浸溶，这种办法更加经济，不需要开采矿石，特别是对于尾矿、贫矿更适合。如果将矿石粉和浸出剂放在同一容器内，使用空气翻动或机械搅拌，具有提取速度快、产量高的优点。
H. 微生物在开矿冶炼中的作用
生物冶金
生物冶金是指在相关微生物存在时，由于微生物的催化氧化作用，将矿物中有价金属以离子形式溶解到浸出液中加以回收，或将矿物中有害元素溶解并除去的方法。许多微生物可以通过多种途径对矿物作用，将矿物中的有价元素转化为溶液中的离子。利用微生物的这种性质，结合湿法冶金等相关工艺，形成了生物冶金技术。浸矿微生物主要有氧化铁硫杆菌(thiobacillusferrooxidans)、氧化硫硫杆菌(thiobacillusthiooxidant)、硫化芽孢杆菌(sulfobacillus)、氧化铁杆菌(ferrobacillusferrooxi dant)、高温嗜酸古细菌(thermoacidophilicarchae bacteri a)、微螺球菌属(1eptospirillum)等。在有关生物冶金的报道Thiobacillusferrooxidans(氧化亚铁硫杆菌)为浸矿菌种的论文占绝大多数，但从研究者对浸矿细菌的分离及培养方法来看，应该是多个菌种的富集混合菌。它们有些生长在常温环境，有些则能在50～70℃或更高温度下生长。硫化矿氧化过程中会产生亚铁离子和元素硫及其相关化合物，浸矿微生物一般为化能自氧菌，它们以氧化亚铁或元素硫及其相关化合物获得能量，吸收空气中的氧及二氧化碳，并吸收溶液中的金属离子及其它所需物质，完成开尔文循环生长。
用于浸矿的几十种细菌，按其生长的最佳温度可以分为三类，即中温菌、中等嗜热菌与高温菌。
硫化矿生物浸出过程包括微生物的直接作用和间接作用，同时还具有原电池效应及其它化学作用。直接作用是指浸出过程中，微生物吸附于矿物表面通过蛋白分泌物或其他代谢产物直接将硫化矿氧化分解。间接作用则指微生物将硫化矿物氧化过程产生的及其它存在于浸出体系的亚铁离子，氧化成三价铁离子，产生的高铁离子具有强氧化作用，其对硫化矿进一步氧化，硫化矿物氧化析出有价金属及铁离子，铁离子被催化氧化，如此反复。根据矿石的配置状态，生物冶金工业化生产主要有3种。
(1)堆浸法。这种方法常占用大面积地面，所需劳动力较多，但可处理较大数量的矿石，一次可处理几千至几十万吨。
(2)池浸法。在耐酸池中，堆集几十至几百吨矿石粉，池中充满含菌浸提液，再加以机械搅拌以加快冶炼速度。这种方法虽然只能处理少量的矿石，但却易于控制。
(3)地下浸提法。这是一种直接在矿床内浸提金属的方法。其方法是在开采完毕的场所和部分露出的矿体上浇淋细菌溶浸液，或者在矿区钻孔至矿层，将细菌溶浸液由钻孔注入，通气，待溶浸一段时间后，抽出溶浸液进行回收金属处理。这种方法的优点是，矿石不需要开采选矿，可节约大量人力和物力，减轻环境污染。
应用微生物浸矿，其优势在于：反应温和，环境友好，能耗低，流程短，特别适于贫矿、废矿、表外矿及难采、难选、难冶矿的堆浸和就地浸出，在矿石日益贫杂及环境问题日益突出的今天，微生物浸矿技术将是有效的金属元素提取、环境保护及废物利用的手段。近年来，国外该技术的研究已成为矿冶领域热点，细菌浸出已发展成了一种重要的矿物加工手段，利用此法可以来浸出铜、铅、锌、金、银、锰、镍、铬、钼、钴、铋、钒、硒、砷、镉、镓、铀等几十种贵重和稀有金属。
我国生物冶金研究的发展
中国是世界上最早采用生物冶金技术的国家，早在公元前2世纪，就记载了用铁从硫酸铜溶液中置换铜的化学作用，堆浸在当时就是生产铜的普遍做法。不过是在采铜、铁过程中不自觉地利用了自发生长的某些自养细菌浸矿。西汉《淮南万毕术》里有“白青(硫酸铜)得铁则化为铜”的描述。在公元11世纪大量应用了这种工艺，北末时代，又记载有“胆水浸铜”，产铜占当时总产量的15%～25%，仅江西铅山铜采矿场就年产19×104kg，安徽铜官山采场还超过铅山。
近年来，我国微生物浸出的研究和及工业化应用有了相当的发展。在浸矿微生物研究方面，张东晨、张明旭等对质粒在硫杆菌中普遍存在的观点提出了质疑，其研究结果表明，氧化亚铁硫杆菌对Fe2+、S等的氧化能力可能只是与拟核染色体DNA有关，而氧化亚铁硫杆菌的遗传物质就是拟核染色体DNA。徐晓军、孟运生等报道了经紫外线诱变的浸矿细菌，对黄铜矿的浸出率比原始菌提高了46%以上，到达浸出终点的时间比原始菌缩短了5～10d，浸矿细菌能更好地氧化浸出黄铜矿。赵清、刘相梅等利用DNA体外重组技术，构建了含有强启动子、可在tra基因诱动下转移的组成型表达的抗砷质粒pSDRA4。通过接合转移的方式将其导入专性自养极端嗜酸性喜温硫杆菌AcidithiobacilluscⅡIdW中，构建了冶金工程菌Acidithiobacilluscal s(pSDRA4)，经检测，重组质粒在喜温硫杆菌中具有较好的稳定性，在无选择压力条件下传代50次基本保持稳定(重组质粒保留76%以上)，经抗砷性能检测，与野生菌相比，构建的喜温硫杆菌工程菌抗砷能力明显提高，从0mmol/L提高到45mmol/L。在工业化应用方面，生物浸出技术成功运用于江西德兴铜矿，并建成年产2000t电铜的堆浸厂。在广东大宝山建立了我国第一个生物浸铜中试基地。福建紫金山建成千吨级生物提铜堆浸厂。由北京有色金属研究总院与福建紫金山矿业有限公司承担的国家十五攻关项目“生物冶金技术工程化”，将在福建紫金山建成万吨级的生物提铜堆浸厂。同时，金精矿生物预氧化提金在山东莱州已开始工业应用。镍、锌等硫化矿的生物冶金亦得到不同程度的发展。
总体来说，我国生物冶金的工业应用规模较小、应用矿山较少、矿种单一，需加大力度发展。由于国内有90%的原生硫化矿为复杂低品位，因此这一技术应用前景十分广阔。目前，以中南大学邱冠周教授为首席科学家已正式启动“微生物冶金的基础研究”，该项目以教育部为依托、由中南大学为第一承担单位，北京有色金属研究总院、山东大学、中国科学院过程工程研究所、北京矿冶研究总院和长春环境研究院等单位协作承担，这标志着我国有色金属矿产选冶领域的基础研究进入了与国际一流水平同步的发展阶段。
生物冶金发展趋势及研究方向
生物冶金是近代学科交叉发展生物工程技术和传统矿物加工技术相结合的一种新工艺。生物工程应用于矿物加工无疑具有重要意义，目前发展趋势、研究方向和需要解决的问题主要有：①受极端条件的微生物选育；②基因工程菌的构建；③生物浸出机理；④低浓度溶液中镍、钴等金属的提取新技术；⑤浸出过程的优化与控制；⑥异养菌浸矿的研究；⑦高效反应器的研制；⑧地下生物溶浸技术的开发；⑨贵金属和稀有金属的生物吸附研究；⑩煤中硫的生物脱除的研究；铝土矿脱硅的研究；非金属矿(如高岭土)脱铁的研究；生物选矿药剂的研究。
I. 污泥沉淀后，微生物在池底发生什么样的变化，会不会影响好氧生物的活性
(一)污泥膨胀 描述污泥膨胀程度的指标有30min沉降比、污泥体积指数和污泥密度指数. 大多数污泥膨胀是由于丝状体膨胀,这是由于丝状微生物大量繁殖,菌胶团的繁殖生长受到抑制的结果.丝状体对活性污泥絮体起仲架作用,如果没有足够的丝状体,形成的绒絮不牢固,在曝气池紊动水流的冲击下,容易被破碎成细小的针点体.这时,污泥沉降快,SVI低,但出水混浊,这叫做非丝状体膨胀.当丝状体过多,长出一般絮体的边界而伸入混合液时,其架桥作用妨碍了絮体间的密切接触,致使沉降较馒,密实性差和SVI高,但这时的上清液可能报清.当丝状体存在的数目足以形成适宜的絮体督架而无显著分枝伸入溶液时,絮体大而浓密、沉降性好、SVI低、上清液清净,这叫做非膨胀污泥.以沉使过的生活污水为料液的试验表明,丝状体长度小于107μm／mL者,为非膨胀污泥；反之为膨胀污泥. 导致丝状体大量繁殖的原因有：(1)溶解氧浓度 曝气池内溶解氧在0.7～2.0mg／L范围内,虽然都可能出现丝状微生物,但在低溶解氧条件下却能生长良好,甚至能在厌氧条件下残存而不受影响.所以城市污水厂的曝气池溶解氧最低应保持在2mg/L左右.(2)冲击负荷 如果曝气池内有机物超过正常负荷,污泥膨胀程度提高,使絮体内部溶解氧消耗提高,在菌胶团内部产生了适宜丝状体生长的低溶解氧条件,从而促使丝状微生物的分枝超出絮体,伸入溶液.丝状体的分枝为细菌的聚合和较大絮体的形成提供了延伸的骨架,加剧了氧的渗透困难,从而又导致了内部丝状体的发展.(3)进水化学条件的变化一首先是营养条件变化,一般细菌在营养为BOD5：N：P＝100：5：1的条件下生长,但若磷含量不足,C／N升高,这种营养情况适宜丝状菌生活.其二是硫化物的影响,过多的化粪池的腐化水及粪便废水进入活性污泥设备,会造成污泥膨胀.含硫化物的造纸废水,也会产生同样的问题.一般是加5～10mL/L氯加以控制或者用预曝气的方法将硫化物氧化成硫酸盐.其三是碳水化合物过多会造成膨胀、.其四是有毒重金属的冲击负荷可抑制丝状菌,但不能使丝状菌消失并产生针点絮体,造成出水悬浮物提高和SVI降低.还有pH值和水温的影响,丝状菌灾在高温下生繁殖,而菌胶团则要求温度适中；丝状菌宜在嵝曰肪?pH值=4.5～6.5)中生长,菌铰团宜在pH值＝6～8的环境中生长. 解决污泥膨胀的办法因产生原因而异,概括起来就是预防和抑制.预防就要加强管理,及时监测水质、曝气池污泥沉降比、污泥指数、溶解氧等,发现异常情况,及时采取措施.污泥发生膨胀后,要针对发生膨胀的原因,采取相应的制止措施：当进水浓度大和出水水质差时,应加强曝气提高供氧量,最好保持曝气池溶解氧在2mg／L以上；加大排泥显,提高进水浓度,促进微生物新陈代谢过程,以新污泥置换老污泥：曝气池中合碳高而倔碳氮比失调时,投加含氮化合物；加氯可以起凝聚和杀菌双重作用,在回流污泥中投加漂白粉或液氯可抑制丝状菌生长(加氯量按干污泥的0.3～0.4%估计),调整pH值 (二)污泥上浮 (1)污泥脱氮上浮 在曝气池负荷小而供氧量过大时,出水中溶解氧可能很高,使废水中氨氮被硝化菌转化为硝酸盐,此过程称为硝化.这种混合液若在二沉池中经脚较长时间的缺氧状态(DO在0.5mg／L以下),则反硝化菌会使硝酸盐转化成氨和氮气,此过程称为反硝化.反硝化过程中形成的氨重新溶于水,只有氮以气体形式存在于水中.当活性污泥上氮气吸附过多时,由于比重降低,污泥就随气体浮上水面. 防止污泥脱氮上浮的办法有：减少曝气,防止硝化出现；及时排泥,增加回流量,减少活泥在沉淀池中的停留时间；减少曝气池进水量,以减少二沉池中的污泥量. (2)污泥腐化上浮 在沉淀池内污泥由于缺氧而腐化(污泥产生厌氧分解).产生大量甲烷及二氧化碳气体附着在行泥体上,使污泥比重变小而上浮,上浮的污泥发黑发臭. 造成污泥腐化的原因有：二沉池内污泥停留时间过长；局部区域污泥堵塞.解决腐化的措施是加大曝气量,以提高出水溶解氧含量；疏通堵塞,及时排泥. 此外,曝气池结构尺寸不合理,也能引起污泥上浮,主要是污泥回流缝太大,使大量微 气泡从缝隙中窜出,携带污泥上浮；还有导流区断面太小,气水分离较差,影响污泥沉淀. (三)污泥的致密与减少 污泥体积指数减少会使污泥失去活性.在运行中,虽不及前一问题重要,但也应引起足 够重视. 引起污泥致密、活性降低的原因有：进水中无机悬浮物突然增多；环境条件恶化,有机物 转化率降低；有机物浓度减小. 造成污泥减少的原因有：有机物营养减少；曝气时间过长；回流比小而剩余污泥排放量 大；污泥上浮而造成污泥流失等. 解决上述问题的方法有：投加营养料；缩短曝气时间或减少曝气量矿调整回流比和污泥 排放量；防止污泥上浮,提高沉淀效果. (四)泡沫问题 当废水中含有合成洗涤剂及其它起袍物质时,就会在曝气池表面形成大量泡沫,严重时 泡沫层可高达1m多. 泡沫的危害表现为：表面机械曝气时,隔绝空气与水接触,减小以至破坏叶轮的充氧能力； 在泡沫表面吸附大量活性污泥固体时,影响二沉池沉淀效率,恶化出水水质；有风时随风飘散,影响环境卫生. 抑制泡沫的措施有：在曝气池上安装喷洒管网,用压力水(处理后的废水或自来水)喷洒,打破泡沫；定时投加除沫剂(如机油、煤油等)以破除泡沫.油类物质投加量控制在0.5～1.5mg／L范围内,油类也是一种污染物质,投量过多会造成二次污染,且对微生物的活性也有影响；提高曝气池中活性污泥的浓度,这是一种比较有效的控制泡沫的方法.如果袍沫十分严重,在设计时,应考虑用鼓风曝气式活性污泥法系统.
J. 如何利用微生物浸矿来提炼金属
微生物浸矿所用微生物主要是氧化亚铁硫杆菌。它的主要生理特征是，在酸性溶液中，将亚铁氧化成高铁，或把亚硫酸、低价硫化物氧化成硫酸，所生成的酸性硫酸高铁是金属硫化物的氧化剂，使矿石中的金属转变为硫酸盐而释放出来。
浸矿时，先将矿石收集起来堆成几十万吨的大堆，可高达100多米，用泵把细菌浸出剂、硫酸铁和硫酸喷淋到矿石表面。随着浸出剂的逐步渗透，矿石堆就发生了化学反应，生成蓝色的硫酸铜溶液流到较低的池中。然后再投人铁屑把铜从溶液里置换出来。这种方法叫做堆积浸出法。还有一种池浸法，它是把矿石放在池子中部的筛板上，浸出剂从上部喷淋流入下部池中，反复循环。这种方法可以提高浸出速度，提取率较高。也可以把浸出剂直接由矿床的上部注入进行浸溶，这种办法更加经济，不需要开采矿石，特别是对于尾矿、贫矿更适合。如果将矿石粉和浸出剂放在同一容器内，使用空气翻动或机械搅拌，具有提取速度快、产量高的优点。